模具钢的热处理工艺及表面技术

龙源期刊网模具钢的热处理工艺及表面技术作者：吴陆兵来源：《中国科技博览》2015年第34期[摘要]伴随工业技术的发展，国内外的模具工业发展速度日益加快。本文主要对冷作模具钢及热作模具钢的使用现状进行探讨，并对常用的热处理工艺进行了简要的介绍，最后介绍了不同的热处理表面技术在工业中的应用情况。[关键词]模具钢冷作模具钢热作模具钢热处理工艺热处理表面技术中图分类号：TGl42文献标识码：B文章编号：1009-914X（2015）34-0259-02我国模具工业发展迅速，但与工业发达国家相比仍存在较大差距，模具寿命普遍较低。热处理对模具钢的性能有着重要的影响，通过热处理可以使模具钢具有必要的强韧性，大幅度提高模具的寿命。因此为了提高我国模具工业的技术水平，充分发挥现有材料的潜力，本文主要对模具钢的热处理工艺及技术进行全面深入的研究。1.热处理对模具的性能影响模具性能会受到热处理技术的影响，因为通过热处理可以增加模具钢的韧性，从而模具的寿命就会大幅度提高，因此，对模具钢的热处理技术的研究是当前提高我国模具工业技术水平，发挥现有材料的潜能是一条非常有效地方法。根据性质和使用条件的不同，可分为冷作模具钢和热作模具钢。相对来说，模具的工作条件更加恶劣复杂些，由于他们均需要与加热的坯料或者液态金属进行直接的接触，并且在整个过程中还会被反复的加热和冷却，同时还有来自冲击载荷的作用，因而热模具钢的性能要求要更为苛刻，才能满足热模具的使用。普遍存在于当前热做模具的问题就是高温磨损、冷热疲劳会经常失效屠户局部强度不够而造成坍塌。然而在我国当前现有的材料基础上，还可以通过热处理及表面处理技术来使模具的各项性能指标得到改善和提高，从而促进模具使用寿命的提高。2.冷作模具钢用作冷冲压模、热锻压模、挤压模、压铸模等模具的钢称为模具钢，冷作模具钢是用于在室温下对金属进行变形加工的模具，包括冷冲模、冷镦模、冷挤压模、拉丝模、落料模等。2.1工作条件和性能要求处于工作状态的冷作模具承受着强烈的冲击载荷和摩擦、很大的压力和弯曲力的作用，主要的失效破坏形式包括磨损、变形和开裂等，因此冷作模具钢要求具有较高的硬度和耐磨性，龙源期刊网良好的韧性和疲劳强度。截面尺寸较大的模具还要求具有较高的淬透性，高精度模具则要求热处理变形小。2.2合金化处理为保证获得高硬度和高耐磨性，冷作模具钢碳的质量分数较高，大多超过1.0%C，有的甚至高达2.0%C。铬是冷作模具钢中的主要合金元素，能提高淬透性形成Cr7C3等碳化物，能明显提高钢的耐磨性。锰可以提高淬透性和强度，钨、钼、钒等与碳形成细小弥散的碳化物，除了进一步提高淬透性、耐磨性、细化晶粒外，还能提高回火稳定性、强度和韧性。2.3热处理工艺冷作模具钢热处理的目的是最大限度地满足其性能要求，以便能正常工作，现以Crl2MoV冷作模具专用钢制造冲孔落料模为例来分析热处理工艺方法及制定生产工艺路线。冲孔落料模的凸、凹模均要求硬度在（58～60）HRC之内，要求具有较高的耐磨性、强度和韧性，较小的淬火变形。为此，设计其生产工艺路线：锻造一退火一机加工+淬火+回火+精磨或电火花加工一成品。Crl2MoV钢的组织与性能与高速钢相类似，合金元素含量较高，锻后空冷易出现马氏体组织，一般锻后都采用缓冷。钢中有莱氏体组织，可以通过锻造使其破碎并均匀分布。锻后退火工艺与高速钢的等温退火工艺相似，退火后硬度小于255HBW，可进行机械加工。Crl2MoV钢的淬火十回火工艺，淬火温度较低，低温回火后钢的耐磨性和韧性较高，组织为回火马氏体+残余奥氏体+合金碳化物，硬度为（58～60）HRC。如果要求模具具有较高的红硬性，能够在400～450℃条件下工作，则要进行“二次硬化法”处理，将淬火加热温度提高到1100～1150℃，此时由于钢中出现了大量的残余奥氏体，硬度仅为（42～50）HRC，但是随后在510～520'C高温下三次回火，析出了细小弥散的合金碳化物及残余奥氏体转变为马氏体，产生“二次硬化”现象，硬度回升到（60～62）HRC，红硬性也较好，但是淬火加热温度较高，组织粗化会导致强度和韧性下降。2.4常用冷作模具钢对于几何形状比较简单、截面尺寸和工作负荷不太大的模具可用高级优质碳素工具钢T8A、T10A、T12A和低合金刃具钢9SiCr、9Mn2V、CrWMn等，它们耐磨性较好，淬火变形不太大。对于形状复杂、尺寸和负荷较大的模具多用Crl2型钢如Crl2、Crl2MoV钢或W18Cr4V等，它们淬透性、耐磨性和强度较高，淬火变形较小。3.热作模具钢热作模具钢是用于制造在受热状态下对金属进行变形加工的模具，包括热锻模、热挤压模、热镦模、压铸模、高速锻模等。龙源期刊网工作条件和性能要求热作模具钢在工作时经常接触炽热的金属，型腔表面温度高达400～600℃。金属在巨大的压应力、张应力、弯曲应力和冲击载荷作用下，与型腔作相对运动时，会产生强烈的磨损。工作过程中还要反复受到冷却介质冷却和热态金属加热的交替作用，模具工作面出现热疲劳“龟裂纹”。因此，为使热作模具正常工作，要求模具用钢在较高的工作温度下具有良好的强韧性，较高的硬度、耐磨性、导热性、抗热疲劳能力，较高的淬透性和尺寸稳定性。3.2合金化处理热作模具钢碳的质量分数一般保持在（0.3%～0.6%）C之间，以获得所需的强度、硬度、耐磨性和韧性，碳含量过高，会导致韧性和导热性下降；碳含量过低，强度、硬度、耐磨性难以保证。铬能提高淬透性和回火稳定性；镍除与铬共存时可提高淬透性外，还能提高综合力学性能；锰能提高淬透性和强度，但是有使韧性下降的趋势；钼、钨、钒等能产生二次硬化，提高红硬性、回火稳定性、抗热疲劳性、细化晶粒，钼和钨还能防止第二类回火脆性。3.3热处理工艺热作模具钢热处理的目的主要是提高红硬性、抗热疲劳性和综合力学性能，最终热处理一般为淬火加高温（或中温）回火，以获得均匀的回火索氏体（或回火托氏体）。现以5CrMnMo钢制造板牙热锻模为例来分析热处理工艺方法及制定生产工艺路线。板牙热锻模要求硬度为（351～387）HBW，抗拉强度大于1200～1400MPa，冲击值大于32～56J，同时还要满足对热作模具淬透性、抗热疲劳性等的要求。其生产工艺路线：锻造一退火一粗加工一成型加工+淬火+回火+精加工（修型、抛光）。由于钢在轧制时会出现纤维组织，导致各向异性，所以要予以锻造消除。锻后要缓冷，防止应力过大产生裂纹，采用780～800℃保温4～5h退火，消除锻造应力，改善切削能力，为最终热处理作组织上的准备。5CrMnMo钢制热锻模淬火+回火工艺，为降低热应力，大型模具需在500℃左右预热，为防止模具淬火开裂，一般先由炉内取出空冷至750～780℃预冷，然后再淬人油中，油冷至150～200C（大致为油只冒青烟而不着火的温度）取出立即回火，避免冷至室温再回火导致开裂。回火消除了应力，获得回火索氏体（或回火托氏体）组织，以得到所需的性能。3.4常用热作模具钢制造中、小型热锻模（有效厚度小于400mm）一般选用5CrMnMo钢，制造大型热锻模（有效厚度大于100mm）多选用5CrNiMo钢，它的淬火加热温度比5CrMnMo钢高10℃左右，淬透性和红硬性优于5CrMnMo钢。热挤压模冲击载荷较小，但模具与热态金属常时间接触，对热强性和红硬性要求较高，常选用3Cr2W8V或4Cr5W2Vsi钢，淬火后多次回火产生二次硬化，组织与高速钢类似。压铸模钢的选用与成型金属种类有关，压铸熔点为400～450℃龙源期刊网的锌合金，一般选用低合金钢30CrMnSi或40Crr等；压铸熔点为r850～920℃的铜合金，可选用3Cr2W8V钢。4.热处理工艺在常用的热处理工艺中主要有以下流程：预热-淬火-冷却-回火。4.1预热高速钢中合金元素含量很高，碳当量很高，导热性差，如果直接加热到淬火温度，容易导致内力过大，产生严重的变形和开裂。并且冷态高速钢直接加热到淬火温度需要较长的加热时间，会加剧高速钢的氧化并增加了脱碳倾向。为了缩短高温停留时间，在淬火之前进行二次预热，减少工件和高温炉之间的温差防止弯曲变形。4.2淬火高速钢中的合金元素含量很高，并且很多是难容碳化物，在温度为1200℃左右时才能够有效融入奥氏体。因此只有控制好温度，才能保证冷却后形成的马氏体中有足够的合金浓度，从而提高马氏体的强度和耐磨性，提高模具的硬度和耐磨性。需要注意，淬火温度不能太低，也不能太高，超过1300℃之后会导致奥氏体晶粒尺寸增加，导致冷却后力学指标不符合设计要求。因此，淬火过程中要严格控制时间和温度，在保证淬火效果的前提下，尽量降低温度并缩短高温停留时间，按照工件有效直径或者厚度计算，特小件加热时间不得小于2min。[2]4.3冷却采取空冷能够获得马氏体，但是空冷会导致工件表面氧化并析出二次碳化物，造成淬火硬度和红硬性的下降。所以高速钢冷却选择油冷，保证淬火后硬度达到HRC632以上，金相组织以马氏体、残余奥氏体、碳化物为主。4.4回火淬火应力是高速钢模具断裂的主要原因，为了消除淬火应力，同时提高奥氏体的转化率，高速钢至少要在二次硬化峰值温度下完成三次回火。残余奥氏体转化为马氏体，残余奥氏体的量仅剩1%-3%，硬度上升到HRC65，此时金相组织主要为黑色回火马氏体，夹杂少量残余奥氏体和颗粒状碳化物。4.5尺寸变形预防选择淬火加热温度时需要考虑残留奥氏体对淬火变形的影响。对于一些要求较高的模具，选择硝盐分级淬火方式能够避免模具因形状复杂、截面不均匀等出现相变不等时的现象，同时龙源期刊网还能够控制尺寸胀缩变形量，冷却过程产生的热应力和组织应力峰值也相应减小，是控制对尺寸要求较高的模具的变形的有效方法。5.模具钢的表面处理技术一般常用的表面强化技术有以下几种：化学热处理、高能束表面强化、物理或化学气相沉积。常见的化学热处理主要有渗碳、渗氮、渗硼等。这些表面处理的工艺都是一些传统的工艺，与其它工艺相比具有成本低，可靠性高的特点，而且可供选择的方式也很多，尽管这些工艺比较传统，但目前仍然被广泛的应用。比如，虽然现在己经发展了很多新的可以用来提高压铸模具表面磨损抗力的工艺，然而在实际生产中气体渗氮工艺在通常所进行的表面处理中却占到了90-95%，并且在将来很长一段时间仍将保持现在的地位[3]。目前对渗氮的研究主要集中在等离子渗氮上，气体渗氮、盐浴渗氮等传统工艺尽管在工业上己经取得了较好的应用，但是由于这些传统工艺所用材料往往具有易爆炸性，有毒性，因此在实际的应用中往往会对工人及环境造成伤害，这些限制了他们的应用。等离子渗氮就没有气体盐浴渗氮的上述问题而且可以避免复合层也即白亮层的形成和控制扩散层的质量。高能束表面强化技术的特点是加热速度快、工件变形小、不需冷却介质、可控性能好、便于实现自动化控制，在高能束表面强化技术中尤以激光表面改性的研究应用最多。目前对激光表面处理的研究主要是利用这种技术的可控性好，对基体影响小的的特性结合一些其它技术进行一些新工艺的开发研究，比如利用激光表面处理技术进行功能梯度材料的设计并应用在模具上从而提高模具的性能；还有人把激光表面处理技术与仿生学相结合在材料表面进行激光仿生祸合设计从而提高材料的表面性能。除此之外对激光表面处理进行数学模拟也是人们研究的一个热点，这方面的研究一方面是基于实际的激光表面处理往往涉及的参数很多因此需要确定一个最优的工艺，这就需要一个数学模型来帮助人们预测最优的工艺参数，另一方运用数学模型可以使人们对最终结果的相互影响有更好的理解。模具表面气相沉积强化，气相沉积分为化学气相沉积和物理气相沉积。这方面的研究主要是利用这些方法技术在模具表面形成一层陶瓷涂层，但是应用陶瓷涂层的最大问题在于陶瓷涂层在热膨胀性能上与模具钢基体不匹配，这会造成涂层的早期开裂失效。在陶瓷涂覆前进行等离子渗氮